Luận án Tiến sĩ Nghiên cứu thành phần, đặc tính cơ lý của bê tông geopolymer tro bay và ứng dụng cho kết cấu Cầu hầm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN VIỆT HƯNG NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, ĐẶC TÍNH CƠ LÝ CỦA BÊ TƠNG GEOPOLYMER TRO BAY VÀ ỨNG DỤNG CHO KẾT CẤU CẦU HẦM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 11/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN VIỆT HƯNG NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, ĐẶC TÍNH CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY VÀ ỨNG DỤNG CHO KẾT CẤU CẦU HẦM Ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Chun ngành : Xây dựng cầu hầm Mã số : 6258020503 DỰ THẢO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Đào Văn Đông PGS.TS Nguyễn Ngọc Long Hà Nội – 11/2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án cơng trình nghiên cứu cá nhân Các kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Hà Nội, ngày 01 tháng 11 năm 2017 Tác giả Trần Việt Hưng ii LỜI CẢM ƠN Luận án thực hướng dẫn trực tiếp PGS.TS Đào Văn Đông PGS.TS Nguyễn Ngọc Long Tôi xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn dẫn tận tình đóng góp ý kiến quý báu để giúp thực luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn GS.TS Phạm Duy Hữu đóng góp ý kiến quý báu cho luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Giao Thông Vận tải, lãnh đạo khoa Cơng Trình, Phịng Đào tạo Sau đại học, môn Cầu Hầm, môn Kết Cấu, Trung tâm khoa học Cơng nghệ Giao thơng Vận tải, Phịng thí nghiệm Vật liệu xây dựng tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập nghiên cứu Tôi xin trân trọng cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải, Trung tâm thí nghiệm Đường cao tốc hỗ trợ tơi q trình thực nghiệm nghiên cứu Cuối bày tỏ cảm ơn đồng nghiệp, gia đình người thân giúp đỡ tơi q trình học tập, nghiên cứu Hà Nội, ngày 01 tháng 11 năm 2017 Tác giả Trần Việt Hưng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC HÌNH ẢNH VIII DANH MỤC BẢNG XII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU XIV MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CHẤT KẾT DÍNH GEOPOLYMER VÀ BÊ TƠNG GEOPOLYMER TRO BAY 1.1 Bê tông xi măng 1.1.1 Sự phát triển xi măng bê tông 1.1.2 Sự cần thiết vật liệu thay xi măng 1.2 Nghiên cứu chất kết dính geopolymer giới 1.2.1 Nguồn gốc tên gọi 1.2.2 Quá trình nghiên cứu chất kết dính Geopolymer 1.2.3 Cấu trúc hóa học ứng dụng chất kết dính Geopolymer 1.2.4 Cơ chế phản ứng Geopolymer hóa 1.2.5 Dung dịch kiềm kích hoạt 12 1.2.6 Nguyên liệu chế tạo nên vật liệu geopolymer 13 1.2.6.1 Nguyên liệu alumino-silicat 13 1.2.6.2 Tro bay 14 1.2.6.3 Sản lượng tro bay giới Việt Nam 16 1.2.7 Geopolymer tro bay 17 1.3 Nghiên cứu bê tông Geopolymer tro bay giới 18 1.3.1 Khái niệm bê tông geopolymer tro bay 18 1.3.2 Thiết kế thành phần bê tông geopolymer tro bay 19 1.3.2.1 Xác định mục tiêu thiết kế hỗn hợp 19 1.3.2.2 Tỷ lệ nước/ chất rắn geopolymer (W/GPS) 20 1.3.2.3 Tỷ lệ dung dịch kiềm kích hoạt với tro bay theo khối lượng (AAS/FA) 21 1.3.2.4 Tỷ lệ Natri silicat với Natri hydroxit 21 1.3.2.5 Cốt liệu 22 1.3.3 Công nghệ chế tạo thi công bê tông geopolymer tro bay 22 1.3.3.1 Công tác trộn, đổ khuôn đầm nén 22 1.3.3.2 Công tác bảo dưỡng 23 1.3.4 Các tính chất kỹ thuật chủ yếu bê tông geopolymer tro bay 24 1.3.4.1 Hỗn hợp bê tông geopolymer tro bay tươi 24 1.3.4.2 Tỷ trọng 25 iv 1.3.4.3 Mô đun đàn hồi 25 1.3.4.4 Hệ số Poison 25 1.3.4.5 Cường độ kéo gián tiếp 26 1.3.4.6 Sự phát triển cường độ nén theo thời gian 26 1.3.4.7 Co ngót từ biến 26 1.3.4.8 Bền Sunfat 27 1.3.4.9 Bền axit 28 1.3.4.10 Phản ứng kiềm cốt liệu (Alkali Silica Reaction - ASR) 28 1.3.4.11 Tính ổn định nhiệt 29 1.3.5 Các lợi ích kinh tế môi trường sử dụng bê tơng geopolymer 30 1.3.5.1 Lợi ích kinh tế 30 1.3.5.2 Lợi ích môi trường 30 1.3.6 Sản phẩm thương mại bê tông geopolymer 32 1.3.7 Tiêu chuẩn tính tốn thiết kế dành cho bê tông Geopolymer 36 1.3.8 Cơ hội phát triển dành cho bê tông Geopolymer tro bay 36 1.3.9 Những hạn chế việc ứng dụng bê tông geopolymer tro bay 37 1.4 Nghiên cứu bê tông Geopolymer tro bay Việt Nam 38 1.5 Những yêu cầu nghiên cứu đặt cho luận án 39 1.6 Kết luận Chương 40 CHƯƠNG THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY 41 2.1 Yêu cầu việc thiết kế thành phần bê tông Geopolymer tro bay 41 2.2 Các tính chất vật liệu sử dụng 42 2.2.1 Tro bay 42 2.2.1.1 Yêu cầu kỹ thuật vật liệu tro bay 42 2.2.1.2 Tro bay sử dụng thí nghiệm 43 2.2.2 Dung dịch kiềm kích hoạt 43 2.2.2.1 Dung dịch Natri Hydroxyt 43 2.2.2.2 Dung dịch Natri Silicat 44 2.2.2.3 Pha chế dung dịch kiềm kích hoạt 44 2.2.3 Cốt liệu lớn 44 2.2.4 Cốt liệu nhỏ 45 2.3 Chế tạo mẫu thử bê tông geopolymer tro bay 46 2.3.1 Trộn, đổ khuôn, đầm nén bê tông geopolymer tro bay 46 2.3.2 Bảo dưỡng mẫu 47 2.4 Phương pháp thiết kế thành phần bê tông geopolymer tro bay 48 2.4.1 Lựa chọn hàm mục tiêu 48 2.4.2 Xác định yếu tố ảnh hưởng đến cường độ GPC 49 2.4.3 Xác định lượng cốt liệu thô cốt liệu mịn 50 v 2.4.4 Xác định khối lượng tro bay (FA) dung dịch kiềm kích hoạt (AAS) 50 2.5 Lập kế hoạch thí nghiệm bề mặt tiêu 50 2.6 Phân tích kết thí nghiệm 53 2.6.1 Phân tích hồi quy - phương sai 53 2.6.2 Đồ thị bề mặt tiêu 55 2.7 Xác định thành phần cấp phối cho bê tông geopolymer tro bay 55 2.8 Thí nghiệm kiểm tra cường độ hỗn hợp GPC thiết kế 57 2.9 Sơ tính tốn giá thành bê tông geopolymer tro bay thiết kế 61 2.10 Kết luận Chương 63 CHƯƠNG XÁC ĐỊNH MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ HỌC CHỦ YẾU VÀ ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG GEOPOLYMER TRO BAY 64 3.1 Mục đích nghiên cứu 64 3.2 Kế hoạch thí nghiệm 64 3.3 Xác định mô đun đàn hồi cường độ kéo uốn 65 3.3.1 Chuẩn bị mẫu tiến hành thí nghiệm 65 3.3.2 Mô đun đàn hồi GPC 71 3.3.3 Cường độ kéo uốn 72 3.4 Thí nghiệm xác định ứng xử dính bám với cốt thép 73 3.4.1 Mục đích thí nghiệm 73 3.4.2 Phương pháp mẫu thí nghiệm 74 3.4.3 Trình tự thí nghiệm 75 3.4.4 Kết thí nghiệm 75 3.4.5 Nhận xét, đánh giá kết thí nghiệm 77 3.5 Quan hệ ứng suất - biến dạng nén GPC 79 3.5.1 Mục đích thí nghiệm 79 3.5.2 Phương pháp mẫu thí nghiệm 79 3.5.3 Kết thí nghiệm 80 3.5.4 Xây dựng mơ hình quan hệ ứng suất - biến dạng vùng nén dầm bê tông geopolymer chịu uốn 83 3.5.4.1 Lý thuyết Sargin, Hognestad Popovics thiết lập mơ hình ứng suất - biến dạng nén 83 3.5.4.2 Xây dựng mơ hình ứng suất biến dạng vùng nén cho bê tông Geopolymer sở kết thí nghiệm 84 3.6 Thí nghiệm xác định tính thấm nước GPC 87 3.6.1 Mục đích thí nghiệm 87 3.6.2 Phương pháp mẫu thí nghiệm 87 3.6.3 Kết thí nghiệm 88 3.6.4 Nhận xét kết 89 vi 3.7 Kết luận Chương 90 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM GEOPOLYMER TRO BAY CỐT THÉP 91 4.1 Đặt vấn đề nghiên cứu 91 4.2 Chuẩn bị mẫu dầm tiến hành thí nghiệm 91 4.2.1 Nội dung nghiên cứu thực nghiệm 91 4.2.2 Hỗn hợp cấp phối 92 4.2.3 Thiết kế sản xuất mẫu dầm thí nghiệm 92 4.2.4 Q trình thí nghiệm 94 4.3 Kết thí nghiệm 96 4.3.1 Quan hệ tải trọng - độ võng 96 4.3.2 Quan hệ momen - độ cong mặt cắt nhịp dầm thí nghiệm 97 4.3.3 Nhận xét kết thí nghiệm 99 4.3.4 Biến dạng cốt thép chịu kéo bê tông mặt dầm 99 4.3.5 Xác định tải trọng - độ võng giai đoạn chịu lực dầm thí nghiệm 101 4.4 Mơ hình hóa dầm thí nghiệm phần mềm ABAQUS 102 4.4.1 Cốt thép 103 4.4.2 Bê tông 103 4.4.3 Chia phần tử 105 4.5 Phân tích ứng xử uốn dầm bê tông Geopolymer tro bay 106 4.5.1 Giai đoạn I - Giai đoạn bê tông chưa nứt 106 4.5.1.1 Trạng thái làm việc 106 4.5.1.2 Momen gây nứt 107 4.5.2 Giai đoạn II - Giai đoạn bê tông vùng kéo nứt, bê tông vùng nén làm việc giai đoạn đàn hồi 108 4.5.2.1 Trạng thái làm việc 108 4.5.2.2 Momen chảy dẻo cốt thép mặt cắt 109 4.5.3 Giai đoạn III - gần phá hoại, dầm trạng thái giới hạn cường độ 111 4.5.3.1 Trạng thái làm việc 111 4.5.3.2 Đề xuất giá trị biến dạng cực đại ɛcu bê tông vùng nén dầm 112 4.5.3.3 Xác định hệ số khối ứng suất chữ nhật mặt cắt dầm RGPC 115 4.5.3.4 Tính tốn hệ số khối ứng suất chữ nhật cho mặt cắt dầm RGPC 117 4.5.3.5 So sánh với đề xuất biến dạng nén lớn bê tông xi măng 121 4.5.3.6 Momen cực hạn mặt cắt dầm RGPC 124 4.5.4 Độ võng dầm theo giai đoạn chịu lực 126 4.5.5 Tính dẻo dầm 129 4.5.6 Dạng phá hoại dầm 130 4.5.7 Nhận xét thực nghiệm ứng xử uốn dầm bê tông geopolymer cốt thép 132 vii 4.6 Nguyên tắc tính tốn thiết kế chịu uốn dầm cầu bê tơng geopolymer cốt thép sử dụng hỗn hợp bê tông G_40 133 4.7 Phân tích ứng xử dầm cầu bê tông geopolymer cốt thép trạng thái giới hạn cường độ 134 4.7.1 Tiêu chuẩn sử dụng 134 4.7.2 Các số liệu từ thực nghiệm phục vụ phân tích ứng xử uốn dầm cầu bê tông Geopolymer tro bay 134 4.7.3 Các thông số dầm cầu tính tốn 135 4.7.3.1 Kết cấu nhịp 135 4.7.3.2 Lựa chọn mặt cắt ngang dầm 136 4.7.3.3 Bố trí cốt thép 137 4.7.3.4 Đặc trưng hình học mặt cắt 138 4.7.4 Tính nội lực dầm 138 4.7.5 Nội dung tính duyệt dầm 138 4.7.5.1 Sức kháng uốn 138 4.7.5.2 Kiểm tra độ võng 139 4.7.5.3 Kết tính duyệt 139 4.8 Kết luận Chương 140 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 141 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 143 TÀI LIỆU THAM KHẢO 144 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Sản lượng xi măng toàn cầu 1990 - 2050 [70] Hình 1.2: Sự gia tăng trung tâm nghiên cứu xuất geopolymer [98] Hình 1.3: Phương trình phản ứng geopolymer hóa [40] 10 Hình 1.4: Mơ hình lý thuyết q trình geopolymer hóa [42] 11 Hình 1.5: Hình ảnh hạt tro bay loại F 15 Hình 1.6: Bãi thải tro bay nhiệt điện 17 Hình 1.7: Mơ hình kích hoạt kiềm tro bay [46] 17 Hình 1.8: Vi cấu trúc hạt tro bay phản ứng [46] 18 Hình 1.9: Ảnh hưởng tỷ lệ W/GPS đến cường độ chịu nén GPC [52] 20 Hình 1.10: Ranh giới chất kết dính cốt liệu GPC (a), (b) OPC (c) [48] 22 Hình 1.11: Ảnh hưởng chế độ bảo dưỡng đến cường độ nén GPC [52] 23 Hình 1.12: Ảnh hưởng thời gian bảo dưỡng đến cường độ nén GPC [52] 24 Hình 1.13: Co ngót khơ GPC bảo dưỡng nhiệt điều kiện thường [81] 27 Hình 1.14: Ảnh hưởng cường độ nén đến từ biến GPC bảo dưỡng nhiệt [81] 27 Hình 1.15: Độ bền axit sunfuric bê tơng geopolymer tro bay [84] 28 Hình 1.16: Tóm tắt q trình phát thải khí CO2 GPC OPC cấp 40 [94] 31 Hình 1.17: Sản phẩm bê tơng tươi E-Crete™ cơng trình sử dụng [100] 33 Hình 1.18: Sản phẩm thương mại GPC Rocla 33 Hình 1.19: Tòa nhà Global Change Institute, trường Đại học Queensland 34 Hình 1.20: Sân bay Wellcamp xây dựng bê tông EFC [98] 34 Hình 1.21: Mặt đường thành phố Toowoomba - bang Queensland, Australia 35 Hình 1.22: Tường chắn EFC panel đúc sẵn 40MPa 35 Hình 1.23: Mặt đường EFC cảng Brisbane 35 Hình 1.24: Các đoạn vỏ hầm EFC đúc sẵn WAGNERS sản xuất Australia Malaysia 36 Hình 1.25: Cầu đường tơ EFC cường độ 40MPa thành phố Toowoomba 36 Hình 2.1: Tro bay phịng thí nghiệm 43 Hình 2.2: Vật liệu dung dịch kiềm kích hoạt 44 Hình 2.3: Cấp phối cát, đá dăm sau sàng máy theo ASTM C136-01 [31] 44 Hình 2.4: Biểu đồ cấp phối hạt đá theo ASTM C33-99 [29] 45 Hình 2.5: Biểu đồ cấp phối hạt cát theo ASTM C136 - 01 [31] 46 Hình 2.6: Cơng tác cân trộn vật liệu 46 Hình 2.7: Đo độ sụt, đầm nén chế tạo mẫu thử 46 136 Số lượng dầm chủ Số thiết kế Chiều dày lớp phủ mặt cầu (mm) 74 4.7.3.2 Lựa chọn mặt cắt ngang dầm a) Căn chọn mặt cắt ngang dầm chủ:  Chiều cao dầm h: - Chiều cao dầm chọn sơ theo công thức: 1  h     L  1200  600 mm  10 20  Trong đó: L chiều dài nhịp tính tốn - Đối với cầu dầm giản đơn bê tơng cốt thép thường chiều cao dầm khơng nhỏ hơn: 0,07 840  Bề rộng sườn dầm bw: - Có thể lựa chọn loại có bầu dầm khơng có bầu dầm; - Thơng thường với cầu dầm giản đơn có nhịp nhỏ (